新课改课件系列：探索宇宙的奥秘

新课改课件系列探索宇宙的奥秘欢迎进入宇宙探索之旅！本课程将带领同学们穿越时空，探索浩瀚宇宙的奥秘从古代天文学的起源到现代宇宙学的最新发现，我们将共同揭开宇宙的神秘面纱这是一个充满好奇与未知的旅程，我们将学习宇宙的基本结构、了解恒星与行星的演化过程、探讨黑洞与暗物质的谜题，并了解人类探索太空的伟大成就让我们准备好思考与想象，开启这场横跨亿光年的壮丽之旅！137什么是宇宙？宇宙的定义古今观念对比宇宙是指所有存在的时间、空间以及其中的物质和能量的总称古代文明通常将宇宙视为有限且以地球为中心的系统中国古代宇代表空间无限，宙代表时间永恒，共同构成了我们理解的认为天圆地方；古希腊的托勒密体系也是地心说模型宇宙概念现代宇宙观则基于爱因斯坦的相对论和大爆炸理论，认为宇宙起从科学角度看，宇宙包括所有的星系、恒星、行星、卫星以及星源于约亿年前的一次奇点爆炸，并且一直在膨胀宇宙没有138际物质，还有我们尚未直接观测到的暗物质和暗能量中心，也没有绝对的边界人类对宇宙的最初想象史前天象观测1早在石器时代，人类就开始观测天象原始人类通过观察日月星辰的变化规律，制定了最初的历法，指导农业生产和迁徙活动上古神话传说2各文明创造了丰富的天文神话中国有女娲补天、嫦娥奔月；西方有希腊宙斯掌管天空、北欧的彩虹桥通往天界等传说古代天文器具3早期文明制作了简单而精确的天文观测工具如中国的圭表、日晷和浑天仪，玛雅的天文台，埃及的天文观测点等，都反映了人类对天体运行的早期理解天文学的诞生中国古代天文学成就世界早期天文学家天文学与文明发展中国是世界上最早开展天文观测的国古希腊的阿里斯塔克首次提出日心天文学的发展与农业、航海、历法紧家之一早在商周时期，中国就有了说；托勒密创立了地心说体系；世密相连古代文明通过观星定向、预16相当系统的天象记录西汉时张衡发纪哥白尼重新确立日心说；第谷布拉测季节变化，极大促进了社会生产力·明浑天仪，宋代苏颂制造水运仪象赫进行了精确的天体观测；开普勒提发展天文学还与宗教、哲学相互影台，元代郭守敬编制《授时历》，都出行星运动三大定律；伽利略首次用响，塑造了不同文明的世界观是古代天文学的重大成就望远镜观测天象课程目标与学习方法培养科学探究精神通过学习宇宙知识，培养学生的科学思维和探究精神，学会提问、思考和寻找答案的过程，建立科学的宇宙观激发对宇宙的兴趣通过精彩的宇宙图片、视频和故事，激发学生对天文学和宇宙探索的持久兴趣，培养持续学习的动力掌握基本天文知识了解宇宙的基本结构和演化历程，认识主要天体类型及其特征，掌握天文学的基本概念和原理建立全球视野理解人类在宇宙中的位置，培养开阔的全球视野和面向未来的思维方式，增强保护地球家园的责任感探究问题导入宇宙的本质是什么？探索宇宙的基本组成和物理规律宇宙如何演化？从大爆炸到现在的宇宙历程人类如何探索宇宙？从望远镜到太空探测器的技术进步我们在宇宙中的位置？地球、太阳系与银河系的宇宙坐标宇宙中有其他生命吗？探索地外生命的可能性与方法我们为什么要了解宇宙？这不仅关乎人类的好奇心，也与我们理解自身起源密切相关通过探索宇宙，我们能更好地认识地球环境的独特性，珍视并保护我们的家园本系列课程将从宇宙的基本概念出发，逐步展开对天体、星系结构的讲解，并介绍现代天文观测技术和重大发现，最终探讨宇宙未来与人类命运宇宙的尺度地球尺度地球赤道周长约40,075公里，相当于北京到纽约往返5次的距离太阳系尺度太阳系直径约9光时（90亿公里），光从太阳到地球需要8分钟，到海王星需要4小时银河系尺度银河系直径约10万光年，包含约2000亿颗恒星，光从银河系一端到另一端需要10万年可观测宇宙尺度可观测宇宙半径约为930亿光年，包含约2万亿个星系，每个星系平均含有上千亿颗恒星为了理解这些难以想象的天文数字，科学家们发明了特殊的计量单位光年是光在真空中一年走过的距离，约为

9.46万亿公里秒差距是另一个天文距离单位，等于

3.26光年天文单位（AU）是地球到太阳的平均距离，约

1.5亿公里光与宇宙光速极限时间窗口电磁波谱光在真空中的传播速度由于光速有限，我们观天文学家利用从射电波约为每秒测到的遥远天体都是它到伽马射线的全电磁波299,792,458米，这是宇宙中已知的们过去的样子看一颗谱观测宇宙不同波长最快速度，也是物理学距离光年的恒星，实的光揭示天体的不同特10中的基本常数际上是看到它年前发性，帮助我们全面了解10出的光宇宙光是我们了解宇宙的主要信息载体当我们仰望星空时，实际上是在观看一部时间跨度巨大的宇宙纪录片银河系中心的光需要年才能到达地球，而最27,000远可见星系的光则旅行了超过亿年130光速的限制也给宇宙探索设置了边界即使以光速飞行，人类也需要年才能

4.24到达最近的恒星系统半人马座阿尔法星这一基本限制促使科学家们思考如空间弯曲等可能的解决方案宇宙的年龄与起源大爆炸初始约138亿年前，宇宙始于一个无限密度、无限温度的奇点，在极短时间内急剧膨胀，形成时空结构和基本粒子原子形成大爆炸后约38万年，宇宙冷却到允许电子与原子核结合形成中性原子的温度，释放出今天仍能观测到的宇宙微波背景辐射第一代恒星大爆炸后约2亿年，氢气云开始聚集并塌缩，形成宇宙中第一代恒星，它们比现在的恒星更为巨大且寿命短暂星系形成大爆炸后10亿年，恒星在暗物质的引力作用下聚集成星系最早的星系形态不规则，随后演化为今天我们看到的螺旋和椭圆星系宇宙微波背景辐射是支持大爆炸理论的关键证据这种辐射几乎均匀地来自宇宙各个方向，温度约为

2.7开尔文微小的温度波动反映了宇宙早期密度的微小差异，这些差异最终导致了今天宇宙中的大尺度结构宇宙的结构层次恒星与星云星系恒星是宇宙中的基本发光天体，依靠由数千亿颗恒星、星云、星团和行星核聚变反应释放能量恒星周围常有系统组成的巨型天体系统银河系是星云，由气体和尘埃组成，是新恒星一个典型的螺旋星系，直径约万光10行星系统形成的摇篮年星系团与超星系团以恒星为中心，包含行星、卫星、小星系在引力作用下形成星系团，如本行星和彗星等天体的系统太阳系是星系群多个星系团又组成超星系一个典型的行星系统，包含大行星和团，如室女座超星系团，这是宇宙中8众多小天体已知的最大结构3宇宙的层次结构展现了从微观到宏观的组织形式这种层次性说明宇宙并非完全均匀，而是呈现出类似宇宙网络的结构星系分布在巨大的丝状结构上，中间夹杂着巨大的空洞区域，形成了宇宙的大尺度结构地球在宇宙中的位置太阳系位置地球是太阳系八大行星中的第三颗，位于宜居带内银河系位置太阳系位于银河系的猎户臂上，距离银河系中心约光年27,000本星系群位置银河系是本星系群中的两个主要星系之一室女座超星系团本星系群属于室女座超星系团，这是我们所在的更大尺度结构通过确定地球在宇宙中的位置，我们可以更好地理解自己的宇宙坐标从哥白尼的日心说到现代宇宙学，人类对自身在宇宙中位置的认识不断深入，从地心说的宇宙中心到今天认识到的宇宙边远地区的普通星系中的普通恒星周围的一颗小行星这种认识虽然让人类在物理位置上显得渺小，但我们是已知宇宙中唯一能够理解宇宙的生命，这使地球在精神和认知层面上仍具有独特地位宇宙的边界亿亿138930宇宙年龄可观测宇宙半径根据宇宙学精确测量，宇宙的年龄约为138亿年以光年计，这是我们理论上能观测到的最远距离万亿2可见星系数量在可观测宇宙范围内的估计星系总数宇宙是否有边界？这是一个深刻的科学和哲学问题当我们谈论宇宙的边界时，实际上可能指两个不同的概念可观测宇宙的边界和整个宇宙的边界可观测宇宙指我们原则上能接收到光信号的区域，其边界是由宇宙年龄和光速决定的而整个宇宙可能远大于可观测部分，甚至可能是无限的根据现代宇宙学理论，宇宙没有中心，也没有边缘，类似于二维球面没有边缘，但面积有限宇宙的暗黑部分包括我们尚未观测到的区域，以及由于宇宙加速膨胀使光永远无法到达地球的区域太阳系的结构太阳系由一颗恒星（太阳）和围绕它运行的天体组成，包括八大行星、矮行星、卫星、小行星、彗星等太阳占据太阳系总质量的，对系统内所有天体施加强

99.86%大引力八大行星按距离排序为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星它们可分为内侧的岩石行星（水、金、地、火）和外侧的气态巨行星（木、土、天、海）小行星带位于火星和木星轨道之间，而柯伊伯带则位于海王星轨道之外，是许多矮行星和彗星的来源恒星的诞生与演化原恒星阶段星云阶段云团中心密度增高，温度上升，形成原恒星巨大的气体和尘埃云在自身引力作用下开始坍缩主序星阶段核心温度达到临界值，氢开始聚变成氦，恒星稳定发光终末阶段5根据质量不同，恒星最终成为白矮星、红巨星阶段中子星或黑洞核心氢耗尽，外层膨胀，恒星体积增大恒星的生命周期是宇宙中最壮观的过程之一一颗恒星的形成始于引力将星际物质拉到一起，当中心温度达到数百万度时，氢核聚变反应开始，恒星进入漫长的主序星阶段太阳是一颗主序星，预计还将维持约亿年50太阳的奥秘核心区域太阳表面与大气太阳核心温度高达万度，压力相当于地球表面的亿太阳表面温度约度，呈现出粒状结构，称为米粒组织150034006000倍在这种极端条件下，每秒约有亿吨氢转化为氦，释放出惊太阳黑子是表面相对较冷的区域，与太阳磁场活动相关6人的能量太阳大气由光球层、色球层和日冕组成日冕温度超过百万度，核聚变过程中产生的能量需要大约万年才能从核心传到表面，远高于表面温度，这一现象仍是科学研究的重要问题太阳风是17然后以光的形式向宇宙辐射尽管每秒损失如此多的物质，太阳从日冕向外流的带电粒子流，影响整个太阳系预计还能维持约亿年50不同类型的恒星白矮星中子星黑洞质量小于太阳倍的恒星最终演化成的致质量为太阳倍恒星爆发超新星后的残质量超过太阳倍的恒星最终可能坍缩成黑

1.

41.4-33密天体尽管体积只有地球大小，质量却骸直径仅约公里，由中子组成，密度洞其引力如此强大，连光都无法逃脱，20接近太阳，密度极高一立方厘米的白矮惊人一茶匙中子星物质重达数亿吨中形成事件视界黑洞不断吸积周围物质，星物质重约一吨白矮星不再进行核聚子星高速旋转，产生规律的电磁辐射脉形成明亮的吸积盘年，人类首次拍2019变，只是缓慢冷却的恒星遗体冲，被观测为脉冲星摄到了黑洞的照片M87*行星的种类与构成地球与生命液态水适宜的大气地球表面被水覆盖，是目前唯一地球大气由氮气、氧气和其71%78%21%已知拥有大量液态水的行星水是生他微量气体组成大气层保护生命免命的溶剂，允许生物化学反应进行，受有害辐射，并通过温室效应维持适并调节地球温度太阳系其他天体如宜温度氧气是高等生命形式所必需火星和木卫二可能存在液态水，因此的，地球大气中的氧气主要来自光合备受生命探测任务关注生物宜居带地球位于太阳系宜居带内，在这个区域液态水能稳定存在于行星表面宜居带的位置取决于恒星亮度，越亮的恒星其宜居带越远天文学家在搜寻系外行星时，特别关注位于其恒星宜居带内的行星地球生命起源于约亿年前，从单细胞生物进化到复杂的多细胞生命形式这一演35-40化过程依赖于地球独特的环境条件生命的存在改变了地球本身，例如，光合生物产生的氧气彻底改变了地球大气成分月球与地球的关系潮汐作用月球引力拉动地球表面的水体，产生潮汐现象潮汐对海洋生态系统和沿海环境有重要影响，也在地球早期可能促进了生命起源稳定轴心月球稳定了地球自转轴的倾角，减少了季节变化的剧烈程度如果没有月球，地球的气候将更加不稳定，不利于复杂生命形式的发展防护作用月球作为宇宙盾牌，吸收了许多可能撞击地球的小行星月球表面的陨石坑远多于地球，部分原因是月球为地球提供了保护月球形成于约亿年前，最被广泛接受的理论是巨大碰撞假说一个火星大小的天体（被45命名为忒伊亚）撞击早期地球，碰撞产生的碎片在地球引力下聚集形成月球月球与地球距离平均约万公里，每年以约厘米的速度远离地球月球自转周期与公转

38.

43.8周期相同，所以我们总是看到月球的同一面月球另一面直到年苏联月球号飞行器才首19593次被人类观测到火星探秘火星环境探测成就火星是太阳系中最类似地球的行星，直径约地球的一半，质量约人类已向火星发射了数十个探测器，从早期的水手号到现代的好为地球的十分之一火星表面以赤红色为主，因含有大量氧化铁奇号和毅力号漫游车这些任务绘制了火星表面地图，分析了岩（铁锈）火星两极有冰盖，主要由冻结的二氧化碳和水冰组石成分，搜寻生命迹象，并为未来载人任务铺平道路成中国的天问一号任务成功将祝融号火星车送上火星表面，成火星大气主要由二氧化碳组成，气压仅为地球的左右，太薄为继美国和前苏联之后第三个在火星表面成功着陆的国家多个1%无法长期存留液态水火星表面温度变化大，从到国家和机构正计划未来火星探测任务，包括样本返回和最终的载-125°C20°C不等尽管环境恶劣，火星仍是人类未来可能移民的目标人登陆土星与其光环壮丽的环系太阳系中最壮观的行星环系统冰粒组成主要由冰粒、岩石和尘埃颗粒构成复杂结构分为七个主环和无数小环带形成历史可能由被潮汐力撕碎的卫星或彗星形成土星是太阳系中第二大行星，以其壮观的环系而闻名这些环从土星表面向外延伸约万公里，但厚度惊人地薄，平均仅约米尽管从地球看去环系似乎是2820连续的，实际上由数以亿计的冰粒和岩石颗粒组成，每个颗粒都在独立绕土星运行土星拥有至少颗已知卫星，其中最大的泰坦是太阳系中唯一拥有浓厚大气层的卫星泰坦表面有甲烷和乙烷组成的湖泊和海洋，科学家认为它可能拥有类似83地球早期的环境条件其他著名卫星包括喷射水汽的土卫二恩克拉多斯，以及有着一半黑一半白表面的土卫三雅培外太阳系天体银河系是什么棒旋涡结构恒星数量银河系是一个棒旋涡星系，由一个银河系包含约亿颗恒2000-4000中央核球、一个横贯核球的棒状结星，以及大量的星际气体和尘埃构，以及围绕中心旋转的螺旋臂组这些恒星年龄各异，从刚刚形成的成我们的太阳位于名为猎户臂年轻恒星到已有近亿年历史的138的螺旋臂上古老恒星尺度与旋转银河系直径约万光年，厚度在核心区约为万光年，在盘面区仅约光1011000年银河系以约公里秒的速度旋转，太阳系完成一次银河系公转需要约220/

2.5亿年从地球上看，银河系呈现为夜空中的一道模糊光带，即我们常说的银河这是因为我们位于银河系盘面内部，观察到的是盘面内数以亿计恒星的综合光芒由于星际尘埃的阻挡，我们无法直接看到银河系中心，需要借助射电和红外望远镜穿透尘埃层观测银河系的中心人马座核心区域射电与高能辐射A*银河系中心存在一个超大质量黑洞，名为银河系中心拥有极高的恒星密度，形成了银河系中心是强烈射电和高能辐射源当人马座（读作人马座星）这个黑一个核球结构这里的恒星密度比太阳附物质落入中心黑洞时，会形成明亮的吸积A*A洞质量约为太阳的万倍，但体积非常近高出数百万倍，恒星间的平均距离仅有盘并释放出强烈辐射科学家还发现从银430小，如果放在太阳系中，其事件视界还不几光天中心区域还存在大量气体云、尘河系中心延伸出的巨大等离子体气泡，如太阳的直径大科学家通过观测围绕看埃和年轻恒星形成区，表明黑洞周围的环高约万光年，被称为费米气泡，可能

2.5不见引力中心高速运行的恒星，证实了这境极为动态是过去黑洞活动的痕迹个黑洞的存在星云与恒星形成区星际物质聚集星际空间中的气体和尘埃在引力作用下聚集，形成密度较高的星云这些星云主要由氢气和氦气组成，还混合有少量更重的元素和尘埃颗粒分子云塌缩当星云达到一定密度后，局部区域开始因自身引力而塌缩，形成更密集的分子云超新星爆炸、星际云碰撞或星系旋臂的通过都可能触发这一过程原恒星形成分子云继续收缩，中心区域温度和压力不断上升，形成原恒星周围物质继续向中心坠落，原恒星发出红外辐射并喷射出强烈的极射流恒星诞生当核心温度达到数百万度时，氢开始融合为氦的核反应启动，恒星正式点亮剩余的气体和尘埃在新恒星周围形成原行星盘，这是行星系统形成的起点猎户座星云是最著名的恒星形成区之一，位于约光年外它是一个巨大的发射星云，内1350部的新生恒星照亮了周围的气体这个区域包含数千颗年轻恒星，其中最著名的是猎户座陷阱中的四颗亮星河外星系简介仙女座星系银河系的卫星星系M31仙女座星系是银河系最大的邻居，位于约万光年外它是一大麦哲伦云和小麦哲伦云是银河系的两个主要卫星星系，位于约250个螺旋星系，直径大约为万光年，比银河系大约大仙女万光年外这两个不规则矮星系可从南半球肉眼观测到，2225%16-20座星系包含约万亿颗恒星，是银河系星系群中最大的成员看起来像从银河系分离出的两片云状结构1银河系周围还有数十个更小的矮星系，包括人马座矮星系和天龙仙女座星系是肉眼可见的最远天体之一，在晴朗无光污染的夜空座矮星系等这些小星系围绕银河系运行，并受到银河系强大引中呈现为一个模糊的椭圆斑点该星系正以每秒约公里的速力的影响有些矮星系正在被银河系的潮汐力撕裂，其恒星将最100度朝银河系移动，预计约在亿年后与银河系相撞，形成一个终被银河系吸收45更大的星系星系的多样性星系按形态可分为三大类螺旋星系、椭圆星系和不规则星系螺旋星系（如银河系和仙女座星系）特征是中央有一个核球，周围是扁平的旋转盘面和螺旋臂螺旋臂是恒星形成活跃的区域，包含大量年轻恒星和星际气体螺旋星系又可分为普通螺旋星系和棒旋星系椭圆星系形状从近圆形到高度扁平的椭圆体不等，缺乏明显结构，恒星呈随机轨道运动它们通常含有古老的恒星，很少有新恒星形成透镜状星系介于螺旋和椭圆星系之间，具有盘面但没有明显的螺旋臂不规则星系没有特定形状，通常是由于星系相互作用或碰撞形成的星系碰撞与演化接近阶段两个星系开始靠近，引力相互作用引起潮汐变形初次碰撞星系盘面相交，但恒星几乎不会直接碰撞潮汐变形形成引力潮汐尾和桥，星系结构被严重扰动最终合并两星系完全融合，形成一个新星系，通常是椭圆星系当两个星系相撞时，由于恒星之间的距离非常大，恒星很少直接碰撞然而，星际气体云会发生剧烈碰撞，触发大规模的恒星形成星系间的引力相互作用会扰乱恒星轨道，产生壮观的潮汐尾和引力桥结构星系碰撞过程可持续数亿年哈勃望远镜已拍摄到多个处于不同碰撞阶段的星系对，如著名的天线星系和鼠星系银河系和仙女座星系预计将在约亿年后发生碰撞，最终合并为一个巨大的椭圆45星系，有时被称为银女星系超星系团与宇宙网星系群星系包含数十个在引力束缚下的星系银河系所在的本星系群有约个成员星系50最基本的宇宙大尺度单元，由数千亿颗恒星、气体、尘埃和暗物质组成星系团1包含数百到数千个星系的巨大结构处女座星系团是本星系群附近最大的星系3团宇宙网络5超星系团超星系团连接形成的网络状结构，呈现为细4由多个星系团组成的巨型结构室女座超星丝、壁面和空洞的复杂分布系团是我们本地的超星系团，包含约个星100系团宇宙的大尺度结构呈现为宇宙网或泡沫状，超星系团形成了巨大的丝状或壁状结构，中间夹杂着巨大的空洞这种结构被认为是由暗物质的引力作用塑造的，暗物质分布决定了正常物质的聚集方式暗物质和暗能量宇宙的加速膨胀19291998哈勃发现关键突破哈勃发现星系红移与距离成正比，证明宇宙在膨胀科学家通过超新星观测发现宇宙膨胀正在加速

73.5哈勃常数每秒每百万秒差距

73.5公里，描述宇宙膨胀速率宇宙膨胀最初由埃德温·哈勃通过观测遥远星系的红移现象发现他注意到星系的后退速度与其距离成正比，这一关系被称为哈勃定律20世纪末，天文学家通过观测Ia型超新星意外发现，宇宙膨胀不但没有因引力而减慢，反而正在加速宇宙加速膨胀的发现彻底改变了我们对宇宙的理解，科学家引入暗能量概念来解释这一现象这一发现如此重要，相关研究人员获得了2011年诺贝尔物理学奖目前，测量哈勃常数的不同方法得出的结果存在显著差异，这一哈勃张力问题可能暗示我们对宇宙的理解存在根本性缺陷宇宙的命运大撕裂热寂如果暗能量持续增强，宇宙膨胀可能如果宇宙持续膨胀但不加速，最终所最终变得如此剧烈，以至于星系、恒有恒星都将耗尽燃料，黑洞蒸发，宇星甚至原子都会被撕裂这一情景被宙温度接近绝对零度，陷入热寂状称为大撕裂，可能在约亿年后发态这一过程将持续非常非常长的时220生间，远超宇宙当前年龄大坍缩如果宇宙的物质密度足够大，引力最终可能战胜膨胀力，导致宇宙开始收缩，最终所有物质重新塌缩到一个奇点，这一情景被称为大坍缩不过，目前的观测表明这种可能性极小宇宙的最终命运取决于几个关键因素暗能量的性质、宇宙的整体形状（开放、封闭或平坦）以及物质总量目前的观测数据支持热寂或大撕裂情景，但我们对暗能量的理解仍然有限，未来的研究可能带来新的见解有些理论物理学家提出了循环宇宙的概念，认为宇宙可能经历无限次的膨胀和收缩循环还有多重宇宙理论提出我们的宇宙可能只是多元宇宙中的一个泡泡这些理论仍处于高度投机阶段，缺乏直接观测证据望远镜的发明与进化年伽利略望远镜11609伽利略改进了荷兰人发明的望远镜，首次用于天文观测，发现了木星卫星和月球表面细节年代射电望远镜1930射电天文学诞生，使我们能探测不可见光波段，发现了脉冲星、类星体等新天体年哈勃太空望远镜1990首个大型太空望远镜发射，位于大气层外，提供了无与伦比的清晰宇宙图像年詹姆斯韦伯太空望远镜2021·最先进的太空红外望远镜，能探测宇宙早期形成的首批恒星和星系望远镜的发展彻底改变了人类对宇宙的认识从伽利略的简易折射望远镜到现代的巨型反射望远镜，从可见光扩展到覆盖整个电磁波谱，天文观测能力提高了数百万倍现代地基望远镜采用自适应光学技术克服大气扰动，口径已达到米级别，如凯克望远镜和超大望远镜（）10ELT哈勃太空望远镜发现哈勃深空视野创生之柱宇宙加速膨胀年，哈勃对一片看似空旷的天区进行哈勃拍摄的鹰状星云中的创生之柱成为哈勃对遥远型超新星的观测提供了宇宙1995Ia了天长时间曝光，揭示了近个遥远最著名的天文图像之一，这些巨大的气体加速膨胀的关键证据，导致暗能量概念的103000星系，其中一些形成于宇宙诞生后仅几亿和尘埃柱是新恒星形成的摇篮哈勃详细提出哈勃还精确测量了宇宙年龄（约年这张照片彻底改变了我们对宇宙规模记录了恒星形成过程，帮助科学家理解星亿年）和膨胀率，为现代宇宙学奠定138的认识，展示了宇宙的深度和丰富性系演化历史了基础詹姆斯韦伯太空望远镜·技术突破科学目标詹姆斯韦伯太空望远镜（）拥有韦伯望远镜的四大科学目标观测宇宙·JWST

6.5米直径的主镜，是哈勃的倍，由个第一批恒星和星系形成；研究星系如何

2.518六边形金镀铍镜面组成它主要工作在演化；观察恒星和行星系统的诞生；研红外波段，需在极低温度下运行，因此究系外行星大气，寻找生命迹象韦伯配备了网球场大小的五层遮阳板，将望的红外能力使它能看到尘埃云后面的远镜温度维持在℃以下天体，以及宇宙极早期的光被红移到红-233外波段的天体初步成就自年开始科学观测以来，韦伯已取得多项突破性发现拍摄了迄今最深入的红外宇2022宙图像；发现了宇宙早期大质量星系，挑战了现有星系形成理论；详细分析了系外行星大气成分；为我们提供了太阳系天体前所未有的清晰图像韦伯望远镜位于距地球约万公里的拉格朗日点，这一位置可使望远镜、地球和太阳保持150L2在一条直线上，有利于热量管理和持续观测与位于近地轨道的哈勃不同，韦伯在如此遥远的位置无法进行维修任务，因此其设计必须高度可靠中国天文探索进展天眼射电望远镜FAST位于贵州的米口径球面射电望远镜（），是世界上最大、最灵敏的单口径射电望远500FAST镜自年投入使用以来，天眼已发现数百颗新脉冲星，为研究宇宙磁场、引力波和暗2016物质提供了宝贵数据它的灵敏度使中国在搜寻地外文明信号方面处于领先地位悟空暗物质粒子探测卫星年发射的暗物质粒子探测卫星（，绰号悟空）专门探测高能电子和伽马射2015DAMPE线，寻找暗物质湮灭或衰变的证据悟空已测量电子宇宙射线能谱至，是目前最10TeV精确的测量，为暗物质研究提供了重要线索量子科学实验卫星墨子号年发射的墨子号实现了世界首次卫星和地面之间的量子通信，在量子纠缠分2016发、量子密钥分发等方面取得突破这些技术未来可应用于研究引力与量子力学的关系，探测极微弱的空间扰动未来展望中国计划在月球背面建设射电天文台，利用月球作为天然屏障，阻挡地球无线电干扰还计划发射空间站望远镜（）、先进射线天文台（）和引力波探CSST XEP测器（太极计划），全面提升中国在多波段天文观测能力人类登月传奇阿波罗计划启动阿波罗号阿波罗号阿波罗计划结束811年，肯尼迪总统宣布美国将在年，首次载人环绕月球飞行，年月日，阿姆斯特朗和奥尔年，阿波罗号完成最后一次载196119681969720197217十年内将人类送上月球拍摄著名的地出照片德林成为首批登月人类人登月任务阿波罗计划是人类历史上最伟大的探索成就之一，从年到年，共有名宇航员踏上了月球表面他们收集了约公斤月球岩石样本，安装了多个科学仪1969197212382器，进行了广泛的地质考察这些任务不仅证明了人类可以抵达另一个天体，还极大地丰富了我们对月球形成和演化的认识阿波罗登月计划之后，人类再未踏上月球然而，各国航天机构现在正计划重返月球美国的阿尔忒弥斯计划、中国的探月工程、以及其他国家和私营公司的计划，都瞄准了在年代末或年代初再次实现载人登月，并建立长期月球基地，为未来的火星探索奠定基础20202030国际空间站火星探索进展毅力号探测器祝融号火星车火星样本返回年，的毅力号同年，中国的祝融号火星车作为天问一毅力号的一项关键任务是收集火星岩石和2021NASA（）成功着陆在火星杰泽罗号任务的一部分，成功着陆在火星乌托邦土壤样本，存储在特制容器中未来的任Perseverance陨石坑这个先进的探测器配备了个摄平原祝融号配备了地形相机、多光谱相务将把这些样本送回地球，让科学家能够23像头、两个麦克风和专门用于寻找过去生机、次表层探测雷达等科学仪器，对火星使用最先进的实验室设备进行分析这项命迹象的仪器毅力号携带了一个名为机土壤、大气和地形进行全面研究，使中国火星样本返回计划是和合作的雄NASA ESA智号的小型直升机，实现了人类在另一个成为继美国和前苏联之后第三个成功将探心勃勃项目，预计在年代初完成2030行星上的首次动力飞行测器送上火星表面的国家太阳系外行星发现系外行星发现数量1截至年，已确认超过颗系外行星20235,000探测方法主要通过凌日法、径向速度法和引力微透镜法发现克卜勒任务克卜勒太空望远镜发现了约颗系外行星NASA2,700任务TESS4凌日系外行星勘测卫星继续搜寻附近恒星周围的行星系外行星的发现改变了我们对太阳系在宇宙中普遍性的理解天文学家发现，几乎每颗恒星周围都有行星，而且行星系统的多样性远超预期从热木星（体积如木星但轨道非常靠近恒星的行星）到超级地球（质量介于地球和海王星之间的行星），系外行星的类型丰富多样特别令人兴奋的是宜居带内行星的发现比邻星、系统中的多颗行星以及开普勒等，都位于各自恒星的宜居带内，理论上可能存在液态水詹姆b TRAPPIST-1-452b斯韦伯太空望远镜正在对一些最有希望的系外行星进行大气成分分析，寻找可能的生物活动迹象·射电望远镜与宇宙信号无线电天文学快速射电暴射电望远镜捕捉宇宙中的无线电波，这些信号来自各种天体，如快速射电暴（）是天文学中最神秘的现象之一，是持续仅几FRB类星体、脉冲星、活动星系核和星际分子云由于无线电波能穿毫秒的强烈无线电脉冲自年首次发现以来，天文学家已2007透星际尘埃，射电天文学能探测可见光望远镜看不到的区域，如观测到数百个，其中一些会重复出现尽管起源不明，主要FRB银河系中心和恒星形成区理论认为它们可能来自中子星或磁星等极端天体的活动世界上最大的射电望远镜包括中国的（米口径）、美国年，天文学家首次将一个快速射电暴定位到银河系内的一FAST5002020的阿雷西博望远镜（米，已坍塌）和位于智利的阿塔卡马大颗磁星，为理解这一现象提供了重要线索研究有助于探测305FRB型毫米波亚毫米波阵列（）这些设备在研究宇宙早期历宇宙中的物质分布，因为无线电波在穿越星际介质时受到影响，/ALMA史、星系演化和寻找地外生命方面发挥着关键作用可作为宇宙中的标尺来测量遥远空间的物质密度引力波的探测1916爱因斯坦预言广义相对论预测引力波的存在2015首次探测LIGO首次直接探测到引力波，来自两个黑洞合并2017诺贝尔奖基普·索恩、雷纳·韦斯和巴里·巴里什因引力波探测获奖90+探测事件截至2023年已探测到的引力波事件数量引力波是时空的涟漪，由加速质量产生，以光速传播爱因斯坦在1916年首次预测了引力波的存在，但它们非常微弱，以至于直到一个世纪后才被直接探测到2015年9月14日，激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探测到了两个黑洞合并产生的引力波信号，这一突破性发现开创了引力波天文学的新时代引力波探测器如LIGO（美国）、Virgo（欧洲）和KAGRA（日本）使用激光干涉仪测量极小的时空扭曲，能够探测到小于原子核的距离变化通过引力波，天文学家能够观测到以前看不见的天体，如双黑洞系统、中子星合并事件，甚至可能是宇宙大爆炸产生的原初引力波未来的空间引力波探测器将进一步扩展我们观测宇宙的能力黑洞照片的诞生年月日，事件视界望远镜（）团队公布了人类历史上第一张黑洞照片，展示了星系中心超大质量黑洞周围的明亮吸积盘2019410EHTM87和黑洞阴影这张图像证实了爱因斯坦广义相对论预测的黑洞结构，引起全球轰动年，又发布了银河系中心黑洞人马座的2022EHTA*照片，展示了我们自己星系中心的超大质量黑洞事件视界望远镜不是单一设备，而是将全球八个射电望远镜连接成的虚拟地球大小的望远镜网络这一极其复杂的项目使用了一种称为超长基线干涉测量（）的技术，将分散在各大洲的望远镜数据同步并合成，实现了前所未有的角分辨率，相当于能在纽约看清巴黎的一VLBI张报纸团队计划进一步扩展望远镜网络，提高分辨率，甚至可能拍摄黑洞事件视界的动态变化EHT大爆炸背景辐射测量年发现卫星1965COBE彭齐亚斯和威尔逊意外发现了宇宙微波背景辐射年发射，首次精确测量温度为1989CMB

2.725K普朗克卫星卫星WMAP年发射，提供最详细的图像，精确测量年发射，绘制更精细的图，揭示宇宙年2009CMB2001CMB宇宙参数龄与组成宇宙微波背景辐射（）是大爆炸理论的关键支持证据，被称为宇宙第一道光这种辐射源自宇宙年龄约万年时，当时宇宙冷却到足够让电子与质子结合形成CMB38中性氢原子，使光子能自由传播这些光子随宇宙膨胀而被拉伸，如今以微波的形式充满整个宇宙的温度几乎完全均匀，约为开尔文（绝对零度以上约℃），但存在极其微小的温度波动，大约为百万分之一这些微小波动反映了宇宙早期物质分布CMB

2.725-

270.4的微小不均匀性，正是这些不均匀性在引力作用下逐渐放大，最终形成了今天的星系和星系团因此，研究让我们得以窥见宇宙的婴儿照片CMB地外生命探索项目太阳系内生命探索SETI地外智能生命搜寻（SETI）项目使用射电火星、土卫六（泰坦）和木卫二（欧罗望远镜监听来自太空的人工信号，寻找其巴）等太阳系天体是寻找微生物生命的首他文明的通信证据从1960年的奥兹玛要目标火星可能曾有液态水和适宜生命计划到现代的突破聆听计划，科学家们的环境；木卫二和土卫二的冰壳下可能存持续扫描数百万个频道，搜寻可能的外星在液态水海洋，提供生命所需的条件广播生物标志探测天文学家寻找系外行星大气中的生物标志分子，如氧气、甲烷和水，这些可能指示生物活动詹姆斯韦伯太空望远镜已能探测某些系外行星的大气成分，未来的任务将进一步提高这一能·力地外生命探索面临着费米悖论如果宇宙中存在其他高级文明，为什么我们还没有探测到它们？可能的解释包括高级文明罕见；星际通信和旅行太困难；文明存在时间有限；或者他们选择不与我们接触年，天文学家在金星大气中检测到磷化氢气体的可能性引起轰动，因为该气体在地球上主要由生2020物产生虽然后续研究质疑了这一发现，但这表明即使在我们的邻居行星上，潜在的生命迹象也可能超出我们的预期范围随着探测技术的进步，未来几十年可能会在太阳系内或系外行星上发现微生物生命的证据太空技术的进步可重复使用火箭商业太空旅游微型卫星革命公司的猎鹰号和重型猎鹰火箭实私营公司如蓝色起源、维珍银河和等标准化小型卫星平台的发展使SpaceX9SpaceX CubeSat现了第一级可控返回并多次重复使用，大开启了民用太空旅游时代这些公司提供太空任务的规模和成本大幅降低如今，幅降低了发射成本这项技术革命使太空亚轨道和轨道太空旅行体验，虽然目前价大学实验室和小型公司都能负担得起发射运输成本降低了约倍，从每公斤发射成格昂贵（每人数十万至数千万美元不自己的卫星大型商业卫星星座如10SpaceX本约万美元降至约美元，彻底改变等），但随着技术发展和市场扩大，价格的星链计划，正在部署数千颗小型卫星，55000了太空经济学有望进一步下降为全球提供高速互联网服务回顾我们的宇宙探索之旅宇宙基本结构观测技术进步太空探索成就我们学习了宇宙的层次结构，从从伽利略的简易望远镜到现代的人类已经登上月球，发射探测器行星系统到恒星、星系、星系团地基和太空望远镜，观测技术的到太阳系各大行星，建立了国际和超星系团，了解了宇宙膨胀的飞跃使我们能看到更远的宇宙深空间站，并开发了可重复使用的历史和可能的未来命运处，探测到更多波段的信息太空运输系统宇宙学突破大爆炸理论、暗物质和暗能量的发现，引力波的探测，以及对宇宙微波背景辐射的精确测量，深化了我们对宇宙本质的理解我们的宇宙探索之旅展现了科学探究的力量几个世纪以来，从哥白尼、伽利略和开普勒开始，科学家们通过观察、假设、实验和理论构建，逐步揭开了宇宙的奥秘这一过程不断挑战和完善我们的世界观，从地心说到日心说，从静态宇宙到膨胀宇宙，从经典物理到量子物理和相对论未来宇宙探索的新方向重返月球NASA的阿尔忒弥斯计划和中国探月工程计划在2020年代末建立月球基地，作为深空探索的跳板载人火星任务多国航天机构和私营公司计划在2030年代实现载人火星登陆，建立火星科研站小行星采矿开发小行星丰富的矿产资源，为太空探索和地球工业提供原材料系外行星直接成像新一代太空望远镜将能直接拍摄宜居带系外行星，分析大气寻找生命迹象更远的未来，人类可能会利用先进的推进技术，如核聚变或反物质引擎，大幅提高太空航行速度星际探索将首先通过发射微型探测器到最近的恒星系统开始，如突破摄星计划构想的激光推进纳米飞行器，可能在数十年内到达半人马座阿尔法星太空技术的发展将同时推动地球科技进步，如新材料、能源系统和人工智能同时，太空探索也将继续激发人类对宇宙更深层次的哲学思考我们在宇宙中的位置和意义、生命的起源和分布、智能文明的演化路径等根本问题你我与宇宙星尘构成的生命我们体内的重元素来自古老恒星的核心1理解宇宙的大脑人类大脑可能是宇宙中最复杂的结构之一宇宙的观察者我们是已知唯一能够理解宇宙的生命形式我们与宇宙的联系比想象更为深刻我们体内的碳、氮、氧和其他重元素是在恒星核心合成的，然后通过超新星爆炸散布到宇宙中正如天体物理学家卡尔萨根所说我们是宇宙认识自己的方式这一理解改变了我们看待自身的方式，使我们认识到与宇宙的内在联系·宇宙探索不仅仅是科学探究，也是一次精神旅程通过了解宇宙的浩瀚和多样性，我们获得了宝贵的视角意识到我们的星球是多么独特而脆弱——这种概览效应常被宇航员提及，看到地球作为宇宙中一个小蓝点的景象，深刻改变了他们的世界观，强化了人类团结和对地球的珍视课程总结与思考宇宙有多大？宇宙有多老？可观测宇宙半径约亿光年，而整个宇宙可能930根据最新测量，宇宙年龄约为亿年138更大甚至无限宇宙的未来？我们是否孤独？取决于暗能量性质，可能持续膨胀导致热寂或大迄今未发现确切的地外生命证据，但宇宙广阔，撕裂可能性依然存在在这门课程中，我们从宇宙的基本概念出发，探索了从基本粒子到超星系团的各个层次，了解了恒星和行星的形成与演化，认识了现代宇宙学的基本理论，并回顾了人类探索太空的历史与未来希望这次宇宙之旅激发了你的好奇心和想象力科学探索永无止境，今天被视为确定的理论，明天可能因新发现而被修正或扩展我鼓励大家保持好奇心与批判性思维，继续关注天文学的最新进展无论你未来从事什么职业，理解宇宙的视角都将丰富你的人生让我们带着敬畏与探索精神，共同仰望星空，思考我们在这个浩瀚宇宙中的位置与意义。